差壓變送器在活塞式壓力計(jì)量中應(yīng)用

摘要:活塞式壓力計(jì)作為一個(gè)壓力量量值傳遞的重要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,其重要性可想而知。但是活塞式壓力計(jì)的計(jì)量過程對(duì)操作者的實(shí)際操作等一系列經(jīng)驗(yàn)積累水平有非常高的要求,且繁雜的操作過程會(huì)造成計(jì)量工作者的主觀意愿引人其他誤差，影響量值傳遞的正確性。尤其是在活塞調(diào)平這一過程中,沒有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)積累和活塞式壓力計(jì)操作手感是根本無法完成的。針對(duì)這一難題引入差壓變送器到活塞式壓力計(jì)的計(jì)量過程中,簡化操作過程,使活塞式壓力計(jì)的計(jì)量更容易被學(xué)習(xí)和掌握，保證壓力量量值傳遞的正確可靠。
0引言
　　壓力計(jì)量基準(zhǔn)器為國家壓力基準(zhǔn)裝置,國家壓力基準(zhǔn)裝置主要由一套相同結(jié)構(gòu)的5個(gè)活塞系統(tǒng)組成甲。壓力工作基準(zhǔn)也由0.005級(jí)活塞式壓力計(jì)構(gòu)成,其次有0.01級(jí)活塞式壓力計(jì)、0.02級(jí)活塞式壓力計(jì)、0.05級(jí)活塞式壓力計(jì)以及其他壓力計(jì)量器具構(gòu)成了壓力計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表。活塞式壓力計(jì)具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡單計(jì)量性能穩(wěn)定、易于量值溯源等優(yōu)勢(shì)。其作為壓力標(biāo)準(zhǔn)在壓力量量值傳遞中的地位也就可想而知了。因此活塞式壓力計(jì)的計(jì)量也就變得尤為重要。
1活塞壓力計(jì)簡介
　　活塞式壓力計(jì)是根據(jù)帕斯卡原理、流體靜力學(xué)平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行壓力計(jì)量的F121。
　　活塞式壓力計(jì)主要有活塞系統(tǒng)(活塞和活塞筒組成)、專用砝碼和校驗(yàn)器3大部件組成?；钊到y(tǒng)作為活塞式壓力計(jì)的核心部件,活塞和活塞筒是活塞式壓力計(jì)核心數(shù)據(jù)一活塞有效面積的來源;專用砝碼是根據(jù)活塞有效面積與使用地重力加速度經(jīng)過計(jì)算,加工的具有固定質(zhì)量用于復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力值的圓盤型砝碼[3];校驗(yàn)器也稱為造壓泵或壓力計(jì)底座,主要由壓力泵、連接管和閥門組成,用于安裝活塞系統(tǒng)且有造壓功能的裝置。
活塞式壓力計(jì)壓力產(chǎn)生的原理如式(1)所示:
P=mg/Ae(1)
　　式中:P為活塞產(chǎn)生的壓力;m為專用砝碼的質(zhì)量;g為使用地的重力加速度;Ae為活塞的有效面積。
2活塞式壓力計(jì)的計(jì)量
　　結(jié)合JJG59-2007《活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》的要求,活塞式壓力計(jì)的計(jì)量檢定是在相應(yīng)的環(huán)境條件下(不同精度等級(jí)都有與之對(duì)應(yīng)的溫度和濕度要求)進(jìn)行的,檢定項(xiàng)目主要包括外觀檢查、活塞系統(tǒng)檢查、專用砝碼和稱重盤檢查、活塞有效面積測(cè)量、專用砝碼質(zhì)量測(cè)量、垂直度測(cè)量、活塞轉(zhuǎn)動(dòng)延續(xù)時(shí)間測(cè)量、活塞轉(zhuǎn)動(dòng)下降速度測(cè)量、鑒別力測(cè)量、密封性檢測(cè)、活塞有效面積周期變化率判定。其中活塞有效面積測(cè)量是整個(gè)活塞式壓力計(jì)的計(jì)量檢定的核心工作。本文主要針對(duì)活塞有效面積測(cè)量進(jìn)行研究。
2.1活塞有效面積測(cè)量
　　活塞有效面積測(cè)量主要包括直接平衡法和起始平衡法兩種:
　　直接平衡法:1)確定標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)與被檢活塞式壓力計(jì)的活塞及其連接件質(zhì)量;2)測(cè)量兩套活塞式壓力計(jì)參考平面的高度差;3)開始平衡點(diǎn)的測(cè)量,第一平衡點(diǎn)壓力值一.般選擇活塞式壓力計(jì)測(cè)量范圍上限的10%~20%,分別在兩套壓力計(jì)上加載相應(yīng)的專用砝碼，校驗(yàn)器加壓使標(biāo)準(zhǔn)與被檢活塞式壓力計(jì)都升至工作位置,此過程中兩套壓力計(jì)均應(yīng)以30~60r/min的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)保持在各自的工作位置。如不平衡,在上升活塞上加載相應(yīng).的小砝碼,直至平衡。然后以同樣辦法依次升壓、降壓測(cè)量其他檢定點(diǎn),檢定點(diǎn)一般不少于5個(gè)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到被檢活塞的有效面積。
直接平衡法的平衡原理如式(2)所示:
 
　　式中:m標(biāo)碼:為第i個(gè)平衡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量;m校碼;為第i個(gè)平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量;m標(biāo)話為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿質(zhì)量;m檢活為被檢活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿質(zhì)量;ρ標(biāo)碼為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度;ρ檢碼為被檢活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度;ρ標(biāo)活為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿平均密度;ρ檢活為被檢活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿平均密度;ρa為空氣密度;p介為活塞式壓力計(jì)使用介.質(zhì)的密度;A標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)的有效面積;A檢i為第i個(gè)平衡點(diǎn)計(jì)算得到的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?h為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)與被檢活塞式壓力計(jì)工作位置的高度差(標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)工作位置高度減去被檢活塞式壓力計(jì)工作位置高度)。
　　被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積平均值為最終的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積如式(3)所示:
 
式中:n平衡點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)。
　　起始平衡法:1)起始平衡點(diǎn)的確定,一般選擇活塞式壓力計(jì)測(cè)量范圍上限的10%~20%壓力值的點(diǎn)作為起始.平衡點(diǎn),分別在兩套壓力計(jì)上加載相應(yīng)數(shù)量的砝碼，校驗(yàn)器加壓使標(biāo)準(zhǔn)與被檢活塞式壓力計(jì)都升至工作位置,此過程中兩套壓力計(jì)均應(yīng)以30~60r/min的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)保持在各自的工作位置,如不平衡,在上升活塞上加載相應(yīng)的小砝碼,直至平衡。起始平衡后,壓力計(jì)上加載的所有砝碼作為起始平衡質(zhì)量,保持不變;2)以同樣辦法依次.升壓、降壓測(cè)量其他檢定點(diǎn),檢定點(diǎn)一般不少于5個(gè)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到被檢活塞的有效面積。
　　起始平衡法的平衡原理如式(4)所示，
 
　　式中::m標(biāo)碼(i+1)為第(i+1)個(gè)平衡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量;m檢碼(i+1)為第(i+1)個(gè)平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量;m標(biāo)碼1為起始平衡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量;m檢碼1為起始平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量;ρ標(biāo)碼為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度;p檢碼為被檢活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度;ρa為空氣密度;ρ介為活塞式壓力計(jì)使用介.質(zhì)的密度;A標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)的有效面積;A檢(i+1)為第(i+1)個(gè)平衡點(diǎn)計(jì)算得到的被檢活塞式壓力計(jì)的有效.面積;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?br /> 　　被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積平均值為最終的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積如式(5)所示:
 
式中:n為平衡點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)。
2.2常用方法的弊端
　　兩種測(cè)量方法的關(guān)鍵都是每個(gè)檢定點(diǎn)通過在上升活.塞上加載小砝碼的方式,使兩套活塞式壓力計(jì)同時(shí)達(dá)到各自的平衡位置(工作位置)。這也是在實(shí)際操作過程中的難點(diǎn),其主要依靠活塞位置指示裝置來實(shí)現(xiàn)的,活塞位置指示裝置最常用的有燈影位置指示和電磁位置指示兩種。長時(shí)間盯著燈影或指示表針，而且要用調(diào)整砝碼的方法使燈影或指示表針在每個(gè)檢定點(diǎn)上都達(dá)到固定的指示位置視為是達(dá)到每套活塞的各自平衡位置。此過程中存在的問題包括:
1)長時(shí)間盯著燈影或指示表針進(jìn)行調(diào)整,會(huì)對(duì)調(diào)整者造成視覺疲勞,進(jìn)而引人誤差;
2)目測(cè)燈影或指示表針的方法,自身讀數(shù)存在誤差較大,操作者的主觀意愿影響也會(huì)引入一定誤差;
3)目測(cè)燈影或指示表針的方法調(diào)整過程中,由于沒有明確的壓力值指示,不能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整砝碼質(zhì)量達(dá)到每套活塞各自平衡位置。加之存在活塞下降速度的影響,會(huì)出現(xiàn)需要反復(fù)加壓使活塞達(dá)到工作位置。沒有長時(shí)間的活塞計(jì)量檢定經(jīng)驗(yàn)和活塞調(diào)整手感就很難調(diào)整出每套活塞各自平衡位置。
　　以上問題就造成了,活塞式壓力計(jì)的計(jì)量需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)積累和很好的活塞調(diào)整手感的計(jì)量工作者才能進(jìn)行,對(duì)于只有理論知識(shí)積累而實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)積累不是很充分的計(jì)量工作者來說這項(xiàng)工作就變的非常困難。
2.3差壓變送器的應(yīng)用
　　差壓變送器在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中應(yīng)用示意圖如圖1所示,在測(cè)量每-一個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)方法測(cè)量如下。
 
1)打開平衡閥，上兩套活塞的介質(zhì)達(dá)到連通狀態(tài),差壓變送器指示為0(可以是電流輸出mA顯示4.000或壓力輸出kPa顯示0.000)[7]。
2)在標(biāo)準(zhǔn)活塞系統(tǒng)和被檢活塞系統(tǒng)上加載對(duì)應(yīng)砝碼,然后使用任意一個(gè)校驗(yàn)器對(duì)于連通的兩套活塞系統(tǒng)進(jìn)行加壓,使其中一個(gè)活塞系統(tǒng)達(dá)到活塞指示裝置指示的工作位置(以30~60r/min的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)),另外一個(gè)活塞系統(tǒng)稍微超出工作位置。
3)關(guān)閉平衡閥,在超出工作位置的活塞系統(tǒng)上加載小砝碼,差壓變送器會(huì)有數(shù)值顯示上的變化,隨即調(diào)整加載砝碼--側(cè)的校驗(yàn)器,兩者交替操作，使被調(diào)整的活塞系統(tǒng)達(dá)到工作位置(以30~60r/min的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)),同時(shí)差壓變送器指示為0-。
4)打開平衡閥,標(biāo)準(zhǔn)活塞系統(tǒng)和被檢活塞系統(tǒng)都處.于工作位置(均以30~60r/min的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)),對(duì)以上方法進(jìn)行驗(yàn)證,在原始記錄上記錄該點(diǎn)加載砝碼質(zhì)量。依據(jù)以上方法再進(jìn)行下一平衡點(diǎn)的測(cè)量。直至完成每一個(gè)平衡點(diǎn)的測(cè)量,處理數(shù)據(jù)就可以得到被檢活塞系統(tǒng)的活塞有限面積。
使用此方法在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中的應(yīng)用主要有以下注意事項(xiàng):
1)差壓變送器的選型,相同精度等級(jí)的壓力變送器,量程越大,誤差越大;量程越小，可操作范圍越小[10]。所以在差壓變送器誤差符合被計(jì)量活塞式壓力計(jì)精度要求的情況下,量程越大,可操作范圍越大,越便于使用,操作更簡單、更安全。
2)差壓變送器的安裝,差壓變送器必須設(shè)置有一個(gè)相對(duì)固定安裝平臺(tái),使差壓變送器的安裝在測(cè)量過程中不發(fā)生位置變化,不存在外力影響,保證輸出結(jié)果的正確率。
3應(yīng)用比對(duì)
　　為了直觀得到應(yīng)用差壓變送器的方法在活塞有效面積測(cè)量中的優(yōu)勢(shì),對(duì)本計(jì)量機(jī)構(gòu)2~3月份的活塞式壓力計(jì)的計(jì)量任務(wù)進(jìn)行了分配和統(tǒng)計(jì),在兩個(gè)月內(nèi)的活塞式壓力計(jì)計(jì)量任務(wù)中,活塞有效面積測(cè)量分別隨機(jī)規(guī)定測(cè)量方案(常用方法或應(yīng)用差壓變送器方法),并對(duì)測(cè)量用時(shí)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如表1所示。表1中A為壓力計(jì)量工作20年以上的計(jì)量工作者,具有熟練操作水平和豐富測(cè)量經(jīng)驗(yàn);B為壓力計(jì)量工作6年的計(jì)量工作者;C為壓力計(jì)量工作剛1年的計(jì)量工作者。
 
　　表1中∞表示使用對(duì)應(yīng)方法進(jìn)行測(cè)量,但長時(shí)間無法完成此項(xiàng)工作。由表1可知在活塞有效面積測(cè)量中引人應(yīng)用差壓變送器的方法不但極大的提高了工作效率,而且.使活塞有效面積測(cè)量操作變的更直觀,易于掌握。
4結(jié)論
　　差壓變送器應(yīng)用于活塞壓力計(jì)的計(jì)量中主要可以幫助新進(jìn)的計(jì)量工作者迅速掌握活塞式壓力計(jì)計(jì)量的操作方法,快速上崗,快速上手工作;可以簡化活塞式壓力計(jì)計(jì)量中,活塞系統(tǒng)平衡調(diào)整中繁雜的工作量;可以避免長時(shí)間盯著活塞位置指示裝置而引起操作者主觀因素引入的誤差。因此差壓變送器在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中的應(yīng)用很有必要在計(jì)量部門進(jìn)行大面積推廣。